物理學中的科學方法及其教育功能初探

張建清

摘要：近代科學誕生的主要標志，是建立了一套有別于古代和中世紀的自然觀和方法論，近代科學方法最大的特色就是實驗方法的應用和牢固確立、實驗—數學方法、科學歸納法和直觀—演繹法的結合、簡單和統一的審美方法。

關鍵詞：科學方法；物理學；教育功能

中圖分類號：G632.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）09-0093-03

近代科學方法的先驅培根把科學方法比作在黑暗中給人照路的明燈。另一位科學方法論的先驅笛卡兒則斷言：“方法，對于探求事物真理是絕對必要的。”愛因斯坦之所以能夠在科學上做出劃時代的貢獻，被譽為世紀最偉大的科學家，是與他的科學思想、科學方法分不開的。關于科學方法，中國學者也有自己獨到的見解。任鴻雋視科學方法為“科學的種子”。在他看來，“現代的科學與它的方法已經合而為一，不能指出某部分是方法，某部分是科學，因為方法只是研究科學的一些過程。我們不能說結果是科學，過程不是科學，因為廣義地說來，所有的科學都是在過程中的。”事實上，在科學研究中，一切理論的探索，歸根結底也是方法的探索，二者可以說是相輔相成、相得益彰的。也許正因為科學方法與科學自身的關系如此緊密，許多學者甚至把科學方法和科學等量齊觀。

一、科學方法的分類

學科方法的構成要素主要有：（1）對事實的觀察，包括稱之為實驗的人為的觀察。（2）把相同的事實歸納起來，標上名稱以備應用，比較和分類，其目的就是給一堆事實標上名稱，可稱為一般前提。（3）演繹，使我們從一般前提再回到個別事實，它教我們從那個標簽上找到所期待的那些事實。（4）證明，就是根據事實來確定我們的結論是否正確的過程。

（一）科學的實驗方法

近代科學方法最大的特色之一就是實驗方法的應用和牢固確立。古代科學的研究方法是觀察、猜測、直覺、概括、演繹等。直到中世紀后期和文藝復興時期，西方近代科學才逐漸從自然哲學的母體中分離出來，走上了獨立發展的道路。而其中科學的實驗方法是近代科學從自然哲學中獨立出來的催化劑，同時也是推動近代科學迅猛發展的一個最基本、最重要和最普遍的方法。物理實驗方法是指人們根據研究的目的，利用物理儀器設備，人為地控制或模擬物理現象，排除各種偶然、次要因素的干擾，突出主要因素，在有利的條件下能重復地去研究物理現象及其規律。對物理實驗方法的創立并把它應用于檢驗科學知識做出巨大貢獻的人當屬伽利略。自由落體問題的研究是伽利略力學研究的突破口。對于自由落體問題當時盛行亞里士多德的觀點，即自由落體以勻速下落，其速度的大小與落體的重量成正比。伽利略首先利用邏輯推理的方法指出亞里士多德落體觀念的邏輯矛盾，接著用實驗事實來駁斥亞里士多德的落體觀念。為了讓人們清楚地看到球體下落的過程，伽利略設想了一種“沖淡沖力”的方法：將長約8米的光滑木板放置成一斜面，斜面的夾角可隨意調節。使重量不同的小球從同一高度沿斜面同時滾下，夾角越小，小球滾得越慢，這就好比沖淡了引力。伽利略發現，重量不同的球在相同的斜面上滾動的速度是相同的，與斜面傾角的大小無關。作為其極限情形，當斜面傾角為90°時，小球的滾動就成了自由落體。由此得出結論——物體自由下落的速度與其重量無關。這一實驗也因其巧妙的設計被英國著名的雜志《物理學世界》評為“歷史上最美麗的十大物理實驗”之一。伽利略在推導“慣性定律”的過程中，還第一次采用了理想實驗的方法。他首先假定小球從一個無摩擦的斜面上滾下來，然后在一個無限延伸的光滑平面上運動。很顯然，沒有摩擦的斜面和無限延伸的平面是不存在的。這些實驗雖然只是想象中的實驗，但它是建立在可靠的事實基礎上的，這種抽象的方法既彌補了實驗條件的限制，所得的結論又能令人信服。伽利略正是靠自己出色的實驗奠定了近代物理學之父的尊位，事實上也是因為科學實驗，使他成為整個近代科學的揭幕人。最善于進行理想實驗的科學家是愛因斯坦，這是他科研方法的重要組成部分和顯著特點。愛因斯坦從16歲起就在頭腦中做“追光”的理想實驗，開始思索“如果我以光速追隨光波將會看到什么？”正是它推動著愛因斯坦對物理學中傳統觀念進行重新審理，萌發狹義相對論的思想。為證明同時性的相對性，愛因斯坦提出了著名的理想實驗——“車廂試驗”。他就是用這列理想化了的“火車”，為我們證明了事件的同時性因參照系的差異而差異，這也就是“同時”的相對性。

（二）科學實驗與數學方法的結合

數學方法是指在科學研究中，應用數學提供的概念、符號和規則進行定量的描述、推導和演算，然后對數學結果進行分析和判斷，從量和結構方面運用數學形式表示事物的特征和規律。數學方法為物理學研究提供了精確的形式化語言和表達工具。數學方法較少地受物質和技術條件的限制，依靠其抽象推理可以從理性上認識客觀世界，也便于物理理論的推廣。在近代科學中將數學理性和實驗理性有機結合起來的這種方法突出地表現在伽利略的力學研究中。伽利略以準確的數學語言證明物質運動的規律和表達物理的定律。他認為數學是人類思維的一種完全可靠的邏輯形式。“大自然這本書是用數學的語言寫成的”。不懂數學語言，就不能揭開自然界的奧秘。伽利略不僅巧妙設計了前面談到的斜面實驗，還以自己提出的“勻加速度”和“慣性”等重要概念為前提，以幾何圖解法等數學方法為手段，根據“速度與降落時間成比例”的假設得出球和斜面的坡度雖然都可不同，但小球沿斜面滾下的距離總是與時間的平方成正比的結論。當傾角等于90°時，就過渡到了自由落實運動，這就是物理學中的落體定律：物體墜落所經過的空間按時間的平方而增加。用現代數學語言表述，這個定律可寫成s=1/2gt2。從以上可以看出，伽利略在研究力學的過程中把實驗和數學結合在一起，既注重邏輯推理，又依靠實際觀察和實驗檢驗，這就構成了一套完整的行之有效的科學研究方法：觀察現象→提出假設→邏輯推理→實驗檢驗→數學演繹→形成理論。為物理學的發展開辟了新的途徑。英國科學史家亞·沃爾夫評價伽利略的實驗—數學法：“伽利略對于落體定律、單擺和拋射體運動的研究，樹立了科學地把定量實驗與數學論證相結合的典范，它至今仍是精密科學的理想方法。”的確，伽利略所運用的這套科學研究方法，直到今天對我們的科學工作者，在科技創新方面仍有著重要的指導作用。

（三）歸納—演繹法

歸納法即從實驗出發，由特殊到一般的認識方法。英國著名哲學家弗蘭西斯·培根在他于1620年出版的《新工具》一書中提出了這種重要的認識方法，即從“簡單的感覺知覺出發，建立新的思維方式，以直接到達事物的本性。”這種被稱為“科學歸納法”的認識方法，強調認識自然過程中物理實驗的作用，以歸納的思維為指導，對由觀察、實驗所獲取的經驗材料進行邏輯的分析和整理，以求得出科學結論。物理學中的歸納法就是在物理現象中通過對一些個別的經驗事實和感性材料進行概括和總結，從中抽象出一般的結論、原理、公式和原則的一種邏輯推理方法。演繹法是以理論為主，由一般到特殊的認識方法。法國哲學家笛卡兒在他的《方法論》一書中提出了數學演繹法。他認為認識自然界客觀規律的基本方法，就是用理性的邏輯思維，從直觀認識的“首要和基本的原則”中演繹出這些規律。胡明復把歸納與演繹視為科學方法的特點：科學之方法，乃兼合歸納與演繹二者。先做觀察，微有所得，乃設想一理以推演之，然后復做實驗，以視其合否。不合則重創一新理，合而不近精切則修補之，然后更試以實驗，再演繹之，如是往返于歸納與演繹之間。歸納與演繹既相間而進，故歸納之性不失，而演繹之功可收，斯為科學方法之特點。物理學中的演繹法是從一般物理規律引出對特殊事例結論的邏輯推理與認識的方法。也就是說，它與歸納法相反，是從一般到特殊（或個別），由共性推廣個性的方法。牛頓在科學方法上的重大貢獻就是把歸納法與演繹法結合起來。他認為：“雖然用來從實驗和觀察中進行論證不能算是普遍地結論，但它是事物的本性所許可的最好的論證方法，并且隨著歸納的愈為普遍，這種論證看來也愈為有力。”牛頓的自然哲學思想以及歸納法和演繹法相結合，模型和數學相結合的科學研究方法，不僅使他成功地建立了經典力學體系，實現了物理學史上第一次大綜合，而且推動了近代科學的大發展。同樣，在科學史上，有許多科學家正是把歸納與演繹法結合起來加以正確運用，從而導致科學上的重大發現。

（四）簡單和統一的審美方法

牛頓在他的名著《自然哲學的數學原理》中寫到，“自然界不作無用之事。只要少做一點就成了，多做了卻是無用；因為自然界喜歡簡單化，而不愛用多余的原因來夸耀自己。”牛頓力學的三大定律與萬有引力定律，全面地概括了從文藝復興以來各種紛繁的力學、天文學等的研究成果，以簡單的形式成功地統一了天上和地上的物體的運動，充分顯現了簡單性原則的神奇力量。愛因斯坦則從更高的邏輯起點把物理學引向高速宇觀世界，并且把牛頓力學囊括在內，并明確提出了邏輯簡單性原則。他說：“我們在尋求一個能把觀察到的事實聯結在一起的思想體系，它將具有最大可能的簡單性。我們所謂的簡單性，是指這體系所包含的彼此獨立的假設或公理最少，因為這些邏輯上彼此獨立的公理的內容，正是那種尚未理解的東西的殘余。”自19世紀能量守恒定律被發現后，許多物理學家都相信物質世界的統一性，愛因斯坦則把探索和理解自然界的這種統一性作為他的最高目的，并貫穿于整個探索過程中。愛因斯坦的探索性的演繹法、邏輯簡單性原則、唯美學原則、形象思維等科學方法就是其集中的體現。愛因斯坦相信，世界是和諧的、有規律的，而且這種規律是可以被認知的。他說：“相信世界在本質上是有秩序的和可認知的這一信念，是一切科學工作的基礎。”也就是說，任何科學家的研究工作，都是從世界的合理性和可知性這個信念出發的。這是一個不可或缺的預設，缺少了它，科學家的工作就成了無源之水、無本之木。他自己這樣來描述這種信念：“在一切比較高級的科學工作背后，必定有一種關于世界的合理性或者說可理解性的信念，這有點像宗教感情。”這種深摯的信念正是鼓舞研究者強烈熱情的主要源泉。

二、科學方法具有教育功能

著名科學史家薩頓在論及實驗方法的教育功能時曾說：“實驗方法一直就培育著最精致的思維戒律，……正是實驗方法才使人類的理性能充分發揮它的潛力，而與此同時，它本身又明白地顯示了它的局限性而且提供了限制它的方式。它證明了真理的相對性，同時又使對它的客觀性和它的近似程度的估量成為可能。更為重要的是，它教導人們要不偏不倚（或至少要努力做到）地追求完整的真理，而不僅僅追求也許能適合一時需要的或者使人高興的那部分真理。”在物理的教學過程中科學方法的最大價值也許正是它的教育功能。科學方法不僅是認識自然的利器，也是認識社會以及人生的有用助手和工具。伏爾泰曾經提出，牛頓的方法決不限于物理學，它一般而言對于所有人類知識也成立。經過科學方法的訓練和熏陶的心智，不僅能夠應對日益擴張的科學知識前沿，更重要的是能夠成為現代科學社會的健全公民。對此，皮爾遜洞若觀火：“近代科學因其訓練心智嚴格而公正地分析事實，因而特別適宜于促進健全公民的教育。于是，就科學對于實際生活的價值而言，我的第一個結論指向它在方法上所提供的有效訓練。受到科學方法訓練的人，將把他的科學方法帶進社會問題的領域。他將不滿意僅僅是表相的陳述，不滿足僅僅訴諸想象、激情、個人偏見、盲目的情緒，他將要求推理的高標準、對事實及其結果的洞見，他的要求不能不充分地有益于共同體。”

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